Amerikaanse wetenschappers hebben aangekondigd wat zij een grote doorbraak hebben genoemd in een lang ongrijpbaar doel om energie te creëren uit kernfusie.
Het Amerikaanse ministerie van Energie zei op 13 december 2022 dat wetenschappers er voor het eerst - en na tientallen jaren van proberen - in zijn geslaagd om meer energie uit het proces te halen dan ze erin moesten steken.
Maar hoe belangrijk is de ontwikkeling? En hoe ver is de lang gezochte droom van fusie die overvloedige, schone energie levert? Carolyn Kuranz, een universitair hoofddocent nucleaire engineering aan de Universiteit van Michigan die heeft gewerkt in de faciliteit die zojuist het fusierecord heeft verbroken, helpt dit nieuwe resultaat te verklaren.
Wat gebeurde er in de Fusiekamer?
fusie is een kernreactie die twee atomen combineert om een of meer nieuwe atomen te creëren met iets minder totale massa. Het verschil in massa komt vrij als energie, zoals beschreven door de beroemde vergelijking van Einstein, E = mc2 , waarbij energie gelijk is aan massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat. Omdat de snelheid van het licht enorm is, levert het omzetten van slechts een kleine hoeveelheid massa in energie - zoals wat gebeurt bij fusie - een vergelijkbare enorme hoeveelheid energie op.
Onderzoekers van de Amerikaanse regering Nationale ontstekingsfaciliteit in Californië hebben voor het eerst aangetoond wat bekend staat als "fusie-ontsteking". Ontsteking is wanneer een fusiereactie meer energie produceert dan er door een externe bron in de reactie wordt gestopt en zichzelf in stand houdt.
De techniek die bij de National Ignition Facility werd gebruikt, omvatte het afschieten van 192 lasers op een 0.04 inch (1 mm) pellet brandstof gemaakt van deuterium en tritium - twee versies van het element waterstof met extra neutronen - geplaatst in een gouden bus. Wanneer de lasers de bus raken, produceren ze röntgenstralen die de brandstofpellet verhitten en comprimeren tot ongeveer 20 keer de dichtheid van lood en tot meer dan 5 miljoen graden Fahrenheit (3 miljoen graden Celsius) - ongeveer 100 keer heter dan het oppervlak van de zon. Als u deze omstandigheden lang genoeg kunt volhouden, kan de brandstof zal samensmelten en energie vrijgeven.
Tijdens het experiment verdampen de brandstof en de jerrycan binnen een paar miljardste van een seconde. Onderzoekers hopen vervolgens dat hun apparatuur de hitte heeft overleefd en nauwkeurig de energie heeft gemeten die vrijkomt bij de fusiereactie.
Dus wat hebben ze bereikt?
Om het succes van een fusie-experiment te beoordelen, kijken natuurkundigen naar de verhouding tussen de energie die vrijkomt bij het fusieproces en de hoeveelheid energie in de lasers. Deze verhouding is winst genoemd.
Alles boven een winst van één betekent dat het fusieproces meer energie vrijmaakte dan de lasers leverden.
Op 5 december 2022 schoot de National Ignition Facility een brandstofpellet af met twee miljoen joule laserenergie - ongeveer de hoeveelheid stroom die nodig is om een föhn 15 minuten te laten werken - en dat alles binnen een paar miljardste van een seconde. Dit veroorzaakte een fusiereactie die vrijgegeven drie miljoen joule. Dat is een winst van ongeveer 1.5 en verpulvert daarmee het vorige record van een winst van 0.7 behaald door de faciliteit in augustus 2021.
Hoe groot is dit resultaat?
Fusie-energie is de "heilige graal" van energieproductie geweest voor bijna een halve eeuw. Hoewel een winst van 1.5 volgens mij een echt historische wetenschappelijke doorbraak is, is er nog een lange weg te gaan voordat fusie een levensvatbare energiebron is.
Hoewel de laserenergie van 2 miljoen joule minder was dan de fusieopbrengst van 3 miljoen joule, kostte het de faciliteit bijna 300 miljoen joule om de lasers te produceren gebruikt in dit experiment. Dit resultaat heeft aangetoond dat fusie-ontsteking mogelijk is, maar het zal veel werk vergen om de efficiëntie te verbeteren tot het punt waarop fusie een netto positieve energieteruggave kan opleveren wanneer rekening wordt gehouden met het gehele end-to-end systeem, niet alleen een enkele interactie tussen de lasers en de brandstof.
Wat moet er verbeterd worden?
Er zijn een aantal stukjes van de fusiepuzzel die wetenschappers al tientallen jaren gestaag hebben verbeterd om tot dit resultaat te komen, en verder werk kan dit proces efficiënter maken.
Eerst waren er alleen lasers uitgevonden in 1960. Wanneer de Amerikaanse regering voltooide de bouw van de National Ignition Facility in 2009, was het de krachtigste laserfaciliteit ter wereld die kon presteren een miljoen joule energie naar een doel. De twee miljoen joule die het vandaag produceert, is 50 keer energieker dan de volgende krachtigste laser op aarde. Krachtigere lasers en minder energie-intensieve manieren om die krachtige lasers te produceren, zouden de algehele efficiëntie van het systeem aanzienlijk kunnen verbeteren.
Fusieomstandigheden zijn zeer uitdagend om vol te houden, En elk kleine onvolkomenheid in de capsule of brandstof kan de energiebehoefte verhogen en de efficiëntie verminderen. Wetenschappers hebben veel vooruitgang geboekt energie efficiënter overbrengen van de laser naar de bus en Röntgenstraling van de bus naar de brandstofcapsule, maar momenteel alleen ongeveer 10 te 30 procent van de totale laserenergie wordt overgebracht naar de jerrycan en naar de brandstof.
Tot slot, terwijl een deel van de brandstof, deuterium, natuurlijk is overvloedig aanwezig in zeewater, is tritium veel zeldzamer. Fusie zelf produceert eigenlijk tritium, dus onderzoekers hopen manieren te ontwikkelen om dit tritium rechtstreeks te oogsten. In de tussentijd zijn er andere beschikbare methoden om de benodigde brandstof te produceren.
Deze en andere wetenschappelijke, technologische en technische hindernissen moeten worden overwonnen voordat fusie elektriciteit voor uw huis kan produceren. Er zal ook werk moeten worden verzet om de kosten van een fusiecentrale flink omlaag te brengen US $ 3.5 miljard van de National Ignition Facility. Deze stappen zullen aanzienlijke investeringen vergen van zowel de federale overheid als de particuliere sector.
Het is vermeldenswaard dat er een wereldwijde race rond fusie gaande is, met vele andere laboratoria over de hele wereld verschillende technieken volgen. Maar met het nieuwe resultaat van de National Ignition Facility heeft de wereld voor het eerst bewijs gezien dat de droom van fusie is haalbaar.
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Krediet van het beeld: Amerikaanse ministerie van Energie/Lawrence Livermore National Laboratory
